《计算机新技术专题课程设计报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机新技术专题课程设计报告（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机新技术专题课程设计 完成日期2017.3.16 一、课题目的 设计 MATLAB 的 M 文件或者 Simulink 模块，用来实现 PID 控制器的功能， 分析 Kp、Kd、Ki 三个参数对系统性能的影响，并用临界比例带法 PID 参数整 定分析。 二、课题步骤 开机执行程序，用鼠标双击图标进入 MATLAB 命令窗口：Command Windows、新建 M-file（或者搭建 Simulink 系统框架） ，输入设计好的程序。调 试，检查错误，然后运行。观察系统对不同参数的相应曲线，分析其原因。 三、课题要求 1、实验之前，查阅有关资料（参考文献附后） ，编写好相应的程序。 2、认
2、真做好仿真记录。 四、课题报告内容 1、叙述 Kp、Kd、Ki 三个参数对系统性能的影响。 附程序： 1 % 比例控制 在 Command Window 里输入：G=tf(1,1 3 3 1); P=0.1:0.1:1; %由 0.1扩大至 1,步长为 0.1 for i=1:length(P)G_c=feedback(P(i)*G,1);step(G_c),hold onend 运行程序，得到系统闭环阶跃响应曲线,由下至上 Kp 从 0.1至 1，一共十条曲线：2 % 比例积分控制 将 Kp 固定为 1，应用 PI 控制策略，在 Command Window 里输入：%比例积分控制 Kp=1
3、; G=tf(1,1 3 3 1) Ti=0.7:0.1:1.5; for i=1:length(Ti)Gc=tf(Kp*1,1/Ti(i),1,0); G_c=feedback(G*Gc,1);step(G_c),hold on end axis(0,20,0,2)运行程序，得到系统闭环阶跃响应曲线 3 % 比例、积分、微分控制 设 Kp=Ti=1，应用 PID 控制策略来试验不同的 Td 值，在 Command Window 里 输入：%比例积分微分控制 Kp=1; Ti=1; Td=0.1:0.2:2; for i=1:length(Td)Gc=tf(Kp*Ti*Td(i),Ti,1/T
4、i,1,0); G_c=feedback(G*Gc,1);step(G_c),hold on end axis(0,20,0,2.6) 运行程序，得到系统闭环阶跃响应曲线 分析： 根据实验曲线，进行仿真结果分析:在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是 PID 控制。PID 控制器 是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。PID 控制规律 写成传递函数的形式为s K s Ki K s T s T K s U s E s G d p d i p ) 1 1 ( ) ( ) ( ) ( 式中， 为比例系数； 为积分系数； 为微分系数； 为积分时 P K i K d K i p
5、i T K K 间常数； 为微分时间常数；简单来说，PID 控制各校正环节的作用如 p d d K K T 下： （1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立 即产生控制作用，以减少偏差。 越大，响应速度加快，但过大的比例系数会使系统有比较大的超调， P K 并产生振荡，使稳定性变坏。 （2）积分环节：如果在进入稳态后存在稳态误差（也叫静差） ，为了消除稳态 误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项将误差对时间的积分，即便 误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大 使稳态误差进一步减小，直到等于零。 主要用于消除静差， 越大，振荡减小，提高
6、系统的无差度，增加系统 i T i T 稳定性。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越大，积分作用越弱， i T i T 反之则越强。 （3）微分环节：自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失 稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具 有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。因此需要使抑制误差 的作用的变化“超前” 。此时增加 “微分项” ，它能预测误差变化的趋势， 使抑制误差的控制作用等于零，从而避免了被控量严重超调。 越大，系统超调量越小，稳定性增加，但过大会放大系统噪声，使系 d K 统对抗干扰的能力变差。 2、用 Simulink
7、临界比例带法进行参数整定分析 对于 ，搭建系统仿真模型如下图，用临界比例带 1 (s) s(s 1)(s 2) G 法求取 PID 参数； 图1 PID参数整定结构模型分析：临界比例带法适用于已知对象数学模型的场合，且被控对象是 3阶或者 3阶以上系数。在闭环控制系统中，将调节器置于纯比例作用下，从大到小改 变调节器的比例带，得到等幅振荡的过程。此时的比例带称为临界比例带 k， 相邻两个波峰的时间间隔称为等幅振荡周期 Tk。临界比例带法整定 PID 控制器的参数公式如下表： 控制器类型 比例带 积分时间 Ti 微分时间 Td P 2k 0 PI 2.2k 0.833Tk 0 PID 1.67k
8、 0.5Tk 0.125Tk 实验步骤： （1） 建立被控对象的 PID 控制模型，将 KI、KD 处于未知状态，且断开 积分、微分部分，且置 KP=1。另外，取 Simulink stop time（也就是仿真时间） 为 100；其中，1）step 模块，设置 step time 为 0，从 t=0 开始；2）sum 模块，sum1 设置 list of signs 为+-，设置 list of signs 为+;3）gain 模块，Gain1 设置 Gain 为 1；4）Zero-Pole 模块，设置 Zeros 为（不存在零点） ，设置 Poles 为0 -1 -2 （三个极点） ，Ga
9、in 设置为1; （2） 以 10倍速度逐渐增大 KP，直到系统发散，然后再以 1/2 调节使其收敛， 最后得到等幅振荡的输出。当 KP=10 时，系数发散; 当 KP=6 时，得到等幅度 输出，记下此时的 KP=6；KP=10KP=6 （3） 由得到的等幅度输出，得到等幅振荡曲线的周期 Tk=5.5，k=1/6； （4） 根据临界比例带法整定 PID 控制器的参数公式，得到 Ti=2.75,Td=0.6875; （5） 设置 KP 为 6，就是得到等幅振荡时的 KP，Gain1 为 1/Ti=1/2.75，设 置 Gain2 为 Td=0.6975，并连接积分、微分两路；（6） 开始仿真，查
10、看系统输出。 五、课题报告要求 1) 用 Matlab 完成实验内容，按要求给出代码及分析结果并绘出相关图形； 2) 对每条语句的作用进行解释说明； 3) 成果提交：课程设计成果必须提交电子版和纸质版，电子版用自己的 “学号姓名”命名，提交到：ftp:/192.168.9.211/2017 春学生作业/计算 机新技术专题/个人文件夹，纸质版待全部作业完成后自行打印后由班 长收齐，交给任课老师。最迟提交时间在 2017春季学期第 6周。 参考文献： （1） 李华，计算机控制系统，机械工业出版社，2007 （2） 于海生等，微型计算机控制技术，清华大学出版社，1999 （3） 张德丰，MATLAB控制系统设计与仿真，电子工业出版社，2009 （4） 张静等，MATLAB在控制系统中的应用，电子工业出版社，2007（5） 薛定宇，控制系统计算机辅助设计（3版） ，清华大学出版社，2013
